[发明专利]一种基于扩展卡尔曼滤波的离子推力器栅极状态监测方法

说明书

本申请涉及航天电推进技术领域，具体而言，涉及一种基于扩展卡尔曼滤波的离子推力器栅极状态监测方法，包括步骤1：建立离子推力器栅极状态监测的扩展卡尔曼滤波器模型；步骤2：计算状态转移矩阵；步骤3：计算下一节点状态的预测值；步骤4：通过在线测量传感器获取测量数据；步骤5：设置偏移限制；步骤6：卡尔曼滤波器模型状态更新；步骤7：根据比对结果判断是在线测量传感器误读还是离子推力器工作异常；步骤8：根据状态更新值，计算栅极的剩余寿命；步骤9：循环步骤3‑步骤8，直至任务结束。本申请具有对栅极的孔径、栅孔刻蚀深度、异常工作状态、剩余寿命等状态进行动态监测的功能，且方法简单、计算量小、异常诊断速度快。

技术领域

本申请涉及航天电推进技术领域，具体而言，涉及一种基于扩展卡尔曼滤波的离子推力器栅极状态监测方法。

背景技术

离子推力器运行过程中，真空高压条件下产生的高能离子对栅极表面的溅射腐蚀是影响离子推力器寿命的主要因素。因此对栅极进行运行时的孔径大小、刻蚀深度、剩余寿命等状态参数进行预测，能够及时发现运行异常并进行调整，防止推力器在寿命限值内失效。

传统的栅极寿命预测分析方法有概率性分析和PIC/MCC仿真分析方法。概率性分析方法是基于交换电荷离子对加速栅极的溅射腐蚀机理，建立了加速栅的工作寿命与其结构参数、运行参数、材料参数之间的函数关系，然后采用Monte Carlo方法进行样本模拟得出寿命概率分布，但该方法主要是在离子推力器研制阶段对栅极寿命作出估计，不具有运行时监测的功能。PIC/MCC方法是基于离子推力器栅极系统的等离子体输运过程建立的粒子模拟仿真方法，该方法对推力器的设计优化具有重要意义，但该方法涉及粒子迭代计算，比较复杂、计算量大，且需要栅极上游等离子体密度等运行时难以采集的参数，不适用于运行时的动态监测。

另外，由于推力器运行环境的极端性以及测量传感器自身具有的误差，在线测量传感器往往无法测量出真实值，理论模型也存在不确定因素而无法准确表示真实状态，而使用扩展卡尔曼滤波器可以将非线性的理论模型和测量传感器信息融合，排除测量噪声和状态噪声下对真实状态进行最优估计，实现对栅极状态的可靠预估。

发明内容

本申请提供了一种基于扩展卡尔曼滤波的离子推力器栅极状态监测方法，能够监测整个任务过程中离子推力器运行时的栅极状态。

为了实现上述目的，本申请提供了一种基于扩展卡尔曼滤波的离子推力器栅极状态监测方法，包括如下步骤：步骤1：任务开始，建立离子推力器栅极状态监测的扩展卡尔曼滤波器模型，输入模型初始参数；步骤2：计算状态转移矩阵；步骤3：计算下一节点状态的预测值；步骤4：到达下一节点，通过在线测量传感器获取测量数据，得到测量值；步骤5：设置偏移限制，通过计算测量值基于预测值的偏移量，来判断栅极状态是否发生异常，如果偏移量没有超出偏移限制，则进行步骤6，如果偏移量超出偏移限制，则表示异常，此时进行步骤7；步骤6：卡尔曼滤波器模型利用测量值对预测值进行校正，完成状态更新；步骤7：偏移量超出偏移限制，输出该节点的离子推力器工作参数和性能参数，与历史数据库进行比对，根据比对结果判断是在线测量传感器误读还是离子推力器工作异常；如果是在线测量传感器误读，则直接将该节点的状态值更新为预测值，进行步骤8；如果是离子推力器工作异常，将异常信息输出，进行人工二次判别，根据专家知识调整工作参数，调整后需要返回步骤1重新输入模型参数；步骤8：根据状态更新值，计算栅极的剩余寿命，并输出保存，再次进入步骤3；步骤9：循环步骤3-步骤8，直至任务结束，实现对离子推力器栅极的剩余寿命的监测。

进一步的，在步骤1中，建立离子推力器栅极状态监测的扩展卡尔曼滤波器模型时，选择栅极刻蚀作为离子推力器栅极状态的监测对象，将栅极孔径和栅孔刻蚀深度作为监测状态，通过栅孔刻蚀扩大率方程和栅孔刻蚀深度拟合方程建立卡尔曼滤波器模型的状态-观测空间。

进一步的，在步骤5中，偏移限制设置为0.02。